工业级特性在嵌入式处理中至关重要

作者：David KatzRick Gentile
ADI公司

许多通用信号处理器具有良好的计算性能和基本连接特性，因而能为工业应用所接受。另一方面，有些重要的外设增强功能可以显着改进处理器的能力，使其适合要求更高的工业系统。本文将就网络和电机控制应用讨论两个增强功能的例子。

以太网接口

对于传统工业应用，以太网控制器可提供基本网络连接。控制器(MAC)与处理器通常位于同一芯片上。它一般与一个外部PHY芯片配合使用，构成完整的接口。

也可以使用外部MAC/PHY芯片，常常将这种芯片直接连到处理器的异步存储器接口。虽然以太网MAC/PHY组合芯片的价格持续下降，已达到几乎与独立PHY芯片相当的程度，但其传输速率无法与集成MAC加外部PHY解决方案相比。这是因为，内部MAC通常与系统DMA通道相连，可以设置为发送或接收数据，与内核处理器的交互极少。内部MAC控制器一般可以实现接近于线路速度的性能，具体取决于协议。

性能的另一个重要方面是实现给定吞吐速率所需的处理器负荷。这是整体性能的一部分，也是内部MAC解决方案与外部MAC解决方案的最大不同之处。

在工业型网络中，以太网可利用网络时间协议(NTP)提供基本系统时间。对于基于NTP的系统，整个受控网络的同步通过“人机接口”时间尺度衡量。虽然该协议适合一般系统定时信息，但它不够精确，不适合许多要求更精密同步的工业控制系统。

为改善精度，业界制定了IEEE 1588精密时间协议(PTP)标准，与以太网控制器和网络堆栈配合使用，以利用主时钟同步网络上的“本地”时钟。也就是，各处理或控制节点与驱动系统的主参考时间同步。

通过使整个工业网络保持精密定时关系，时间事件便可以同步到亚毫秒水平。时间事件包括：模拟/数字转换器何时采样，何时驱动数字/模拟转换器，以及何时激活I/O线路以执行系统控制等。

IEEE 1588 PTP要求交换特定数据包，以便从两个节点提供时间信息。这些数据包用于计算各节点时钟之间的时间和频率差。此外，该协议提供一种连续调整时钟的途径，使各时钟保持同步。

IEEE 1588 PTP协议既可以完全通过软件实现，也可以通过硬件与软件的组合实现。基于硬件的解决方案可提供最佳精度，因而节点之间可实现最佳同步。采用硬件解决方案时，数据包的时间戳可以尽可能靠近它与PHY的交互点。这样，节点之间的抖动更低。





PWM单元

微处理器和DSP的一个标准外设是通用定时器，它基于芯片内部或外部的一个或多个时钟参考提供标准定时器功能。在引脚接口上，它也可提供宽度捕捉或脉冲计数功能，以及单端脉冲宽度调制(PWM)输出波形。这些PWM输出通常具有可编程脉冲宽度和周期，可以用在许多任务业控制应用中，包括直流电平产生和抗噪模拟信号传输(利用适当的低通滤波)。

然而，为使其真正能够用于交流电机控制，需要从几个方面对基本PWM功能进行升级。图1显示了电机控制示意框图，其中来自处理器的PWM输出以差分方式驱动高端和低端电源器件，从而调节电机的扭矩和速度。ADC用于向处理器提供电流测量反馈，这样就可以在具有时序紧密的闭环系统中管理PWM占空比，以便控制电机。



图1：电机控制信号链示意图。

与通用处理器的PWM模块相比，用于电机控制的PWM单元具有多项增强功能。如上文所述，电机控制PWM成对使用，以便在给定电机相位交替驱动高端和低端电源开关。对于三相交流电机，需要采用3对PWM单元。

如图1所示，在处理器的PWM控制单元与功率晶体管的栅极驱动器件之间一般必须提供隔离。这种隔离通常利用光耦合器或脉冲变压器实现。因此，一些PWM单元提供栅极驱动单元，便于输出与高频斩波信号混合，从而连接到脉冲变压器；同时还配有引脚驱动器，以足够的源电流和吸电流驱动大多数光耦合器。

重要的是，电机控制PWM必须在一个电源器件声明结束与另一个互补的电源器件声明开始之间提供一定的保证“死区”。否则，电源开关可能发生直流短路。

此外，必须始终存在能够立即异步禁用PWM输出的途径，避免发生多个输出相位同时启动的错误状况。这种“PWM跳变”特性允许利用外部异步信号禁用所有PWM输出，无论处理器时钟处于何种状态。

最后，虽然让通用定时器同步启动是常见做法，但PWM定时器同步对于电机控制具有更重要的意义。可以利用内部或外部施加的“PWM同步”信号产生一个中断(有时每个周期不止一次)，以便处理器能够根据控制算法调整占空比，并且ADC能够获取和传输下一个电流测量结果。

至此，显而易见，虽然许多任务业应用可能会选用具有通用外设集的处理器，但首先考虑哪些“工业升级”对当前应用有利是明智之举。本文中，我们只选择讨论了网络连接和PWM功能两个例子，但同样的道理也适用于其它许多子系统，包括存储器结构和数据转换接口。利用扩增外设和系统模块带来的增值，可以提高工业产品的稳定性和系统控制能力。